لانثانوم سترونتيوم منجنيت

منجنيت اللانثانوم والسترونتيوم ( LSMO ) هو أكسيد بيروفسكايت مختلط التكافؤ، _صيغته العامة La1 ₋ xSrxMnO3 _، حيث يمثل x نسبة أيونات اللانثانوم المستبدلة بالسترونتيوم . ينتمي LSMO إلى عائلة منجنيتات العناصر الأرضية النادرة ، ويُظهر نطاقًا واسعًا من الخصائص البنيوية والإلكترونية والمغناطيسية تبعًا للتركيب ودرجة الحرارة والمجال المغناطيسي المُطبق.

تعتمد مادة LSMO بنية البيروفسكايت ABO3 _، حيث يشغل اللانثانوم والسترونتيوم المواقع A، بينما يشغل المنغنيز المواقع B. يؤدي استبدال أيونات Sr2 ⁺ بأيونات La3 ⁺ إلى إدخال ثقوب في شبكة Mn-O، مما يغير متوسط ​​حالة أكسدة المنغنيز من Mn3 ⁺ إلى Mn4 ⁺ . يؤثر هذا التطعيم بالثقوب بشكل كبير على الموصلية الكهربائية والترتيب المغناطيسي للمادة. ^{[ 1 ]}

تمت دراسة مركب المنجنيت اللانثانوم (LaMnO3 ₎ في منتصف القرن العشرين كجزء من دراسات أوسع لأكاسيد المعادن الانتقالية ذات البنية البيروفسكيتية. في عام 1951، اقترح كلارنس زينر آلية التبادل المزدوج لتفسير المغناطيسية الحديدية والتوصيل المعدني في المنجنيتات المختلطة التكافؤ التي تحتوي على أيونات Mn3 ⁺ وMn4 ⁺ . ^{[ 2 ]}

أثبتت الدراسات المنهجية التي أُجريت على La1 − _xSrxMnO3 خلال الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي أن استبدال اللانثانوم بالسترونتيوم يحوّل LaMnO3 العازل المضاد للمغناطيسية _{إلى موصل مغناطيسي حديدي} ضمن نطاق واسع من التركيبات. وازداد الاهتمام بـ LSMO بشكل ملحوظ في التسعينيات بعد اكتشاف المقاومة المغناطيسية الهائلة (CMR) في المنجنيتات المُطعّمة، مما كشف عن اقتران قوي بين درجات حرية الشحنة والدوران والمدار والشبكة البلورية. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

يُعدّ LSMO اليوم أحد أكثر المنجنيتات دراسةً نظراً لارتفاع درجة حرارة كوري، وخصائصه شبه المعدنية عند مستوى التشويب الأمثل، وتطبيقاته في الإلكترونيات الدورانية وإلكترونيات الأكاسيد. ^{[ 5 ]}

اعتمادًا على تركيز السترونتيوم، قد يتخذ مركب LSMO تناظرًا بلوريًا معينيًا، أو معينيًا قائمًا، أو مكعبًا، أو سداسيًا. تُفسَّر هذه التغيرات البنيوية عادةً من خلال عامل تحمل غولدشميت ، الذي يتغير بتغير متوسط ​​نصف قطر الأيون في الموقع A. يؤدي ازدياد محتوى السترونتيوم إلى تقليل تشوهات الشبكة البلورية وتعديل زوايا الرابطة Mn–O–Mn التي تتحكم في تفاعلات التبادل المغناطيسي. ^{[ 6 ]}

يمكن ملاحظة التغيرات في حالة أكسدة المنغنيز باستخدام تقنيات التحليل الطيفي مثل مطيافية الإلكترونات الضوئية بالأشعة السينية (XPS)، حيث ينزاح ذروة Mn 2p _3/2 بشكل منتظم مع التركيب. ^{[ 7 ]}

يُظهر مركب LSMO أحد أكثر مخططات الأطوار دراسةً بين أكاسيد المعادن الانتقالية. وتعتمد الحالات الإلكترونية والمغناطيسية الأرضية بشدة على تركيز السترونتيوم x . ^{[ 8 ]}

عندما تكون قيمة x تساوي صفرًا، يكون LaMnO₃ _عازلًا مضادًا للمغناطيسية الحديدية، مع وجود تشوهات يان-تيلر تعاونية مرتبطة بأيونات Mn³⁺ ^. يؤدي إدخال السترونتيوم إلى توليد أيونات Mn⁴⁺ ^وتنشيط تفاعل التبادل المزدوج بين مواقع المنغنيز المتجاورة. ونتيجة لذلك، تزداد الموصلية الكهربائية ويظهر الترتيب المغناطيسي الحديدي. ^{[ ٢ ]}

في النطاق التقريبي 0.1 ≤ x ≤ 0.5، يصبح LSMO معدنًا مغناطيسيًا حديديًا. عند x ≈ 0.3 تقريبًا، تُظهر المادة أعلى موصلية لها، ودرجة حرارة كوري حوالي 350-370 كلفن، واستقطابًا دورانيًا شبه كامل، مما يؤدي إلى وصفها غالبًا بأنها شبه فلز. ^{[ 5 ] [ 9 ]}

عند تركيزات أعلى من السترونتيوم، تزداد أهمية التفاعلات المغناطيسية المتنافسة. عند x ≈ 0.5–0.7، يبقى الترتيب المغناطيسي الحديدي قويًا، على الرغم من أن تفاصيل البنية المغناطيسية وسلوك النقل تعتمد بشكل كبير على درجة الحرارة، والتركيب الكيميائي، وطريقة تحضير العينة. ^{[ 10 ]}

عندما تقترب قيمة x من 1، يميل التركيب نحو SrMnO3 _، وهو عازل مضاد للمغناطيسية يحتوي في الغالب على أيونات Mn4 ⁺ . ونتيجة لذلك، تختفي الحالة المعدنية المغناطيسية الحديدية المميزة لمستويات التطعيم المتوسطة، مما يوضح التطور غير الرتيب للتوصيلية والمغناطيسية عبر مخطط الطور. ^{[ 11 ]}

يُظهر LSMO أيضًا انتقالًا معدنيًا-عازلًا يعتمد على التشويب، ومغناطيسية مسايرة ، ومغناطيسية حديدية ، وظواهر تعايش الأطوار، وطور غريفيثس الذي تم الإبلاغ عنه . ^{[ 12 ] [ 13 ]}

يُعدّ LSMO موصلاً إلكترونياً في المقام الأول، حيث يقترب رقم نقل الإلكترون فيه من الواحد. وهو من بين منجنيتات البيروفسكايت التي تُظهر مقاومة مغناطيسية هائلة (CMR)، حيث تتغير المقاومة الكهربائية بشكل كبير عند تطبيق مجال مغناطيسي. ^{[ 4 ]}

عند قيمة x ≈ 0.3 تقريبًا، يتصرف مركب LSMO كمغناطيس حديدي شبه فلزي، مما يعني أن نقل الشحنة عند مستوى فيرمي يهيمن عليه قناة دوران واحدة. وقد جعلت هذه الخاصية من LSMO مادة نموذجية للإلكترونيات الدورانية ، والوصلات النفقية المغناطيسية، والهياكل غير المتجانسة للأكاسيد. ^{[ 5 ]}

فوق درجة حرارة كوري ، غالباً ما يتم وصف نقل الشحنة من حيث بولارونات جان-تيلر الناشئة عن اقتران قوي بين الإلكترون والشبكة البلورية. ^{[ 14 ]}

يُستخدم LSMO على نطاق واسع كمادة كاثود في خلايا الوقود الصلبة المؤكسدة (SOFCs) نظرًا لموصليته الكهربائية العالية عند درجات الحرارة المرتفعة ومعامل تمدده الحراري، والذي يتوافق جيدًا مع معامل تمدد إلكتروليتات الزركونيا المثبتة بالإيتريوم (YSZ). ^{[ 15 ]}

كما يتم دراسة هذه المادة لاستخدامها في أجهزة الاستشعار المغناطيسية، وصمامات الدوران، ووصلات النفق المغناطيسي، وغيرها من أجهزة الإلكترونيات الدورانية التي تستغل استقطابها الدوراني العالي ودرجة حرارة كوري العالية نسبياً. ^{[ 16 ]}

• خلية وقود أكسيد صلب
• وصلة نفق مغناطيسي
• مقاومة مغناطيسية هائلة